Question

Навеску медного порошка массой 14,48 г поместили в трубчатую печь и нагрели непродолжительное время в токе кислорода. Затем печь охладили в токе чистого азота до комнатной температуры. После извлечения полученного твёрдого продукта из печи его масса оказалась равной 17,27 г.
а)  Какие вещества содержатся в продукте, полученном в описанном эксперименте? Приведите уравнения протекающих реакций.
б)  Водород какого максимального объёма (н. у.) может прореагировать при нагревании с полученным твёрдым продуктом?
в)  Если полученный твёрдый продукт поместить в 10%-ый водный раствор серной кислоты, то образуется голубой раствор и кирпично-красный остаток. Приведите уравнения протекающих при этом химических реакций.
г)  Какой минимальный объём концентрированной азотной кислоты (с массовой долей 65 % и плотностью 1,64 г/см3) потребуется для полного растворения полученного твёрдого продукта? Приведите уравнения химических реакций, протекающих при таком растворении.

Answer 1

дано:
- масса медного порошка (m_Cu) = 14,48 г
- масса полученного продукта (m_продукт) = 17,27 г

а) В результате реакции медь с кислородом образуется оксид меди(I) или оксид меди(II). Поскольку полученный продукт тяжелее исходного медного порошка, можно предположить образование CuO (оксид меди(II)).

Уравнение реакции:
2Cu + O2 -> 2CuO

б) Для определения максимального объема водорода, который может прореагировать с полученным твердым продуктом (CuO), воспользуемся следующим уравнением:

CuO + H2 -> Cu + H2O

Молярная масса CuO = 63,55 + 16 = 79,55 г/моль.
Количество вещества CuO (n_CuO) = m_продукт / M_CuO = 17,27 г / 79,55 г/моль ≈ 0,217 моль.

Из уравнения видно, что 1 моль CuO реагирует с 1 моль H2. Таким образом, n_H2 = n_CuO = 0,217 моль.

Объем водорода при нормальных условиях (н. у.) рассчитываем по формуле:
V(H2) = n_H2 * V_m, где V_m = 22,4 л/моль.

V(H2) = 0,217 моль * 22,4 л/моль ≈ 4,87 л.

в) При взаимодействии полученного продукта с 10%-ным водным раствором серной кислоты происходит образование сульфата меди(II) (CuSO4) и осадка двуокиси кремния (SiO2).

Уравнения реакций:
CuO + H2SO4 -> CuSO4 + H2O
SiO2 + H2SO4 -> SiO2 + H2O.

Однако здесь важно учесть, что в растворе находится медь (как сульфат) и нерастворимый остаток. Поэтому окончательное уравнение будет:
CuO + H2SO4 -> CuSO4 (растворимый, голубой) + H2O (жидкость) + SiO2 (остаток, кирпично-красный).

г) Для полного растворения CuO в концентрированной азотной кислоте необходимо рассмотреть реакцию:

CuO + 4HNO3 -> Cu(NO3)2 + 2H2O + 2NO2↑.

Определяем массу CuO в полученном продукте:
m_CuO = m_продукт - m_Cu = 17,27 г - 14,48 г = 2,79 г.

Теперь находим количество CuO:
n_CuO = m_CuO / M_CuO = 2,79 г / 79,55 г/моль ≈ 0,035 моль.

Для реакции требуется 4 моль HNO3 на 1 моль CuO, следовательно:
n_HNO3 = 4 * n_CuO = 4 * 0,035 моль = 0,14 моль.

Теперь находим массу необходимой HNO3. Молярная масса HNO3 = 63 г/моль.
m_HNO3 = n_HNO3 * M_HNO3 = 0,14 моль * 63 г/моль ≈ 8,82 г.

Теперь найдем объем концентрированной азотной кислоты. Сначала определим массу концентрированной кислоты, используя плотность:
d_HNO3 = 1,64 г/см³, массовая доля = 65%.

m_конц_HNO3 = m_HNO3 / 0,65 ≈ 13,54 г.

Объем V_конц_HNO3:
V = m / d = 13,54 г / 1,64 г/см³ ≈ 8,25 см³.

Ответ:
а) В продукте содержится CuO.
б) Максимальный объем водорода - 4,87 л.
в) Реакции с серной кислотой: CuO + H2SO4 -> CuSO4 + H2O. Остаток SiO2.
г) Минимальный объем - 8,25 см³.